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ARM中C和汇编混合编程及示例

2015-09-28
关键词: ARM 汇编混合编程

  参数的传递规则.
  根据参数个数是否固定,可以将子程序分为参数个数固定的子程序和参数个数可变的子程序.这两种子程序的参数传递规则是不同的.
  1.参数个数可变的子程序参数传递规则
  对于参数个数可变的子程序,当参数不超过4个时,可以使用寄存器R0~R3来进行参数传递,当参数超过4个时,还可以使用数据栈来传递参数. 在参数传递时,将所有参数看做是存放在连续的内存单元中的字数据。然后,依次将各名字数据传送到寄存器R0,R1,R2,R3; 如果参数多于4个,将剩余的字数据传送到数据栈中,入栈的顺序与参数顺序相反,即最后一个字数据先入栈. 按照上面的规则,一个浮点数参数可以通过寄存器传递,也可以通过数据栈传递,也可能一半通过寄存器传递,另一半通过数据栈传递.
  2.参数个数固定的子程序参数传递规则
  对于参数个数固定的子程序,参数传递与参数个数可变的子程序参数传递规则不同,如果系统包含浮点运算的硬件部件,浮点参数将按照下面的规则传递: 各个浮点参数按顺序处理;为每个浮点参数分配FP寄存器;分配的方法是,满足该浮点参数需要的且编号最小的一组连续的FP寄存器.第一个整数参数通过寄存器R0~R3来传递,其他参数通过数据栈传递.
  子程序结果返回规则
  1.结果为一个32位的整数时,可以通过寄存器R0返回.
  2.结果为一个64位整数时,可以通过R0和R1返回,依此类推.
  3.结果为一个浮点数时,可以通过浮点运算部件的寄存器f0,d0或者s0来返回.
  4.结果为一个复合的浮点数时,可以通过寄存器f0-fN或者d0~dN来返回.
  5.对于位数更多的结果,需要通过调用内存来传递.
  本文通过几个简单的例子演示了嵌入式开发中常用的C和汇编混合编程的一些方法和基本的思路,其实最核心的问题就是如何在C和汇编之间传值,剩下的问题就是各自用自己的方式来进行处理。
  在嵌入式系统开发中,目前使用的主要编程语言是C和汇编,C++已经有相应的编译器,但是现在使用还是比较少的。在稍大规模的嵌入式软件中,例如含有OS,大部分的代码都是用C编写的,主要是因为C语言的结构比较好,便于人的理解,而且有大量的支持库。尽管如此,很多地方还是要用到汇编语言,例如开机时硬件系统的初始化,包括CPU状态的设定,中断的使能,主频的设定,以及RAM的控制参数及初始化,一些中断处理方面也可能涉及汇编。另外一个使用汇编的地方就是一些对性能非常敏感的代码块,这是不能依靠C编译器的生成代码,而要手工编写汇编,达到优化的目的。而且,汇编语言是和CPU的指令集紧密相连的,作为涉及底层的嵌入式系统开发,熟练对应汇编语言的使用也是必须的。
  单纯的C或者汇编编程请参考相关的书籍或者手册,这里主要讨论C和汇编的混合编程,包括相互之间的函数调用。下面分四种情况来进行讨论,暂不涉及C++。
  1. 在C语言中内嵌汇编
  在C中内嵌的汇编指令包含大部分的ARM和Thumb指令,不过其使用与汇编文件中的指令有些不同,存在一些限制,主要有下面几个方面:
  a. 不能直接向PC寄存器赋值,程序跳转要使用B或者BL指令
  b. 在使用物理寄存器时,不要使用过于复杂的C表达式,避免物理寄存器冲突
  c. R12和R13可能被编译器用来存放中间编译结果,计算表达式值时可能将R0到R3、R12及R14用于子程序调用,因此要避免直接使用这些物理寄存器
  d. 一般不要直接指定物理寄存器,而让编译器进行分配
  内嵌汇编使用的标记是 __asm或者asm关键字,用法如下:
  __asm
  {
  instruction [; instruction]
  …
  [instruction]
  }
  asm(“instruction [; instruction]”);
  下面通过一个例子来说明如何在C中内嵌汇编语言,
  #include
  void my_strcpy(const char *src, char *dest)
  {
  char ch;
  __asm
  {
  loop:
  ldrb ch, [src], #1
  strb ch, [dest], #1
  cmp ch, #0
  bne loop
  }
  }
  int main()
  {
  char *a = "forget it and move on!";
  char b[64];
  my_strcpy(a, b);
  printf("original: %s", a);
  printf("copyed: %s", b);
  return 0;
  }
  在这里C和汇编之间的值传递是用C的指针来实现的,因为指针对应的是地址,所以汇编中也可以访问。
  2. 在汇编中使用C定义的全局变量
  内嵌汇编不用单独编辑汇编语言文件,比较简洁,但是有诸多限制,当汇编的代码较多时一般放在单独的汇编文件中。这时就需要在汇编和C之间进行一些数据的传递,最简便的办法就是使用全局变量。
  /* cfile.c
  * 定义全局变量,并作为主调程序
  */
  #include
  int gVar_1 = 12;
  extern asmDouble(void);
  int main()
  {
  printf("original value of gVar_1 is: %d", gVar_1);
  asmDouble();
  printf(" modified value of gVar_1 is: %d", gVar_1);
  return 0;
  }
  对应的汇编语言文件
  ;called by main(in C),to double an integer, a global var defined in C is used.
  AREA asmfile, CODE, READONLY
  EXPORT asmDouble
  IMPORT gVar_1
  asmDouble
  ldr r0, =gVar_1
  ldr r1, [r0]
  mov r2, #2
  mul r3, r1, r2
  str r3, [r0]
  mov pc, lr
  END
  3. 在C中调用汇编的函数
  在C中调用汇编文件中的函数,要做的主要工作有两个,一是在C中声明函数原型,并加extern关键字;二是在汇编中用EXPORT导出函数名,并用该函数名作为汇编代码段的标识,最后用mov pc, lr返回。然后,就可以在C中使用该函数了。从C的角度,并不知道该函数的实现是用C还是汇编。更深的原因是因为C的函数名起到表明函数代码起始地址的左右,这个和汇编的label是一致的。
  /* cfile.c
  * in C,call an asm function, asm_strcpy
  * Sep 9, 2004
  */
  #include
  extern void asm_strcpy(const char *src, char *dest);
  int main()
  {
  const char *s = "seasons in the sun";
  char d[32];
  asm_strcpy(s, d);
  printf("source: %s", s);
  printf(" destination: %s",d);
  return 0;
  }
  ;asm function implementation
  AREA asmfile, CODE, READONLY
  EXPORT asm_strcpy
  asm_strcpy
  loop
  ldrb r4, [r0], #1 ;address increment after read
  cmp r4, #0
  beq over
  strb r4, [r1], #1
  b loop
  over
  mov pc, lr
  END
  在这里,C和汇编之间的参数传递是通过ATPCS(ARM Thumb Procedure Call Standard)的规定来进行的。简单的说就是如果函数有不多于四个参数,对应的用R0-R3来进行传递,多于4个时借助栈,函数的返回值通过R0来返回。
  4. 在汇编中调用C的函数
  在汇编中调用C的函数,需要在汇编中IMPORT 对应的C函数名,然后将C的代码放在一个独立的C文件中进行编译,剩下的工作由连接器来处理。
  ;the details of parameters transfer comes from ATPCS
  ;if there are more than 4 args, stack will be used
  EXPORT asmfile
  AREA asmfile, CODE, READONLY
  IMPORT cFun
  ENTRY
  mov r0, #11
  mov r1, #22
  mov r2, #33
  BL cFun
  END
  /*C file, called by asmfile */
  int cFun(int a, int b, int c)
  {
  return a + b + c;
  }
  在汇编中调用C的函数,参数的传递也是通过ATPCS来实现的。需要指出的是当函数的参数个数大于4时,要借助stack,具体见ATPCS规范。
  小结
  以上通过几个简单的例子演示了嵌入式开发中常用的C和汇编混合编程的一些方法和基本的思路,其实最核心的问题就是如何在C和汇编之间传值,剩下的问题就是各自用自己的方式来进行处理。以上只是抛砖引玉,更详细和复杂的使用方法要结合实际应用并参考相关的资料。
  说明
  以上代码在ADS 1.2的工程中编译,并在对应的AXD中软件仿真通过。

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